Nye cellulosefund kan føre til nye kemikalier, biobrændstoffer

En multiinstitutionel forskergruppe ledet af to Penn State-fakultetsmedlemmer har identificeret, for første gang, hvordan cellulosekrystaller orienterer sig i forhold til cellevæggen i planter, med potentielle implikationer for kemikalie- og energiudvikling.

"En mere detaljeret forståelse af strukturen af ​​plantecellevægge kan føre til nye strategier for nedbrydning af disse materialer for at skabe brændstoffer og kemikalier af høj værdi, " sagde Enrique Gomez, co-hovedundersøger af studiet og professor i kemiteknik og materialevidenskab og -teknik med en co-udnævnelse i Materials Research Institute. "Som sådan, vores arbejde kan føre til nye strategier for biobrændstof eller biokemisk produktion."

Cellulose er den mest udbredte biopolymer på jorden. Det gør det muligt for planter at bygge stængler, stammer og blade. Det beskytter også sukkerarter, der bruges af planter til forskellige livsfunktioner. At omdanne celluloseholdig biomasse til nye biobrændstoffer og biokemikalier, forskere skal forstå, hvordan man nedbryder cellulose. Cellulose er vanskelig at nedbryde til råmaterialer til fremstilling af biobrændstoffer og biokemikalier.

Den alsidige, energirigt materiale har længe været kendt for at være krystallinsk, men der er stadig nogle mysterier om dens struktur og hvordan den dannes. Ifølge Gomez, forskere har spekuleret i, om cellulosekrystaller snoer sig i årevis. Penn State-holdet fandt ud af, at krystallerne har en "foretrukken orientering, " hvilket er en tendens til at være placeret på én måde uden at vride. Disse resultater blev offentliggjort i september i Naturkommunikation .

"Vores arbejde identificerede en ny type organisation i plantecellevægge, ved at vi identificerede, at krystaller i plantecellevægge har en foretrukken orientering, " sagde Esther Gomez, co-principal investigator af undersøgelsen og lektor i kemiteknik og biomedicinsk teknik. "Dette er et overraskende resultat, som vi fandt i tre forskellige plantearter, Det tyder på, at vores fund skyldes en almindelig konsekvens af, hvordan planter laver deres cellevægge. Langs vejen, vi kan have hjulpet med at afgøre en langvarig debat – om krystaller inden for plantecellevægge snoer sig – fordi den foretrukne orientering antyder, at krystaller ikke vrider sig. Hvis de gjorde, der ville ikke være en foretrukken orientering."

For at "se" celluloses krystallinske orientering i planteprøverne, de brugte en teknik, der ikke tidligere blev anvendt, til deres viden, i studiet af plantevægge.

"Teknikken, græsningsforekomst vidvinkel røntgenspredning (GIWAXS), blev udviklet til materialevidenskab og brugt flittigt til undersøgelse af tynde film, herunder polymerfilm, " sagde Esther Gomez.

GIWAXS involverer en røntgenstråle, der rammer en tyndfilmprøve, i dette tilfælde cellulose, i meget lave vinkler. Dette kan justeres til kun at sondere overfladen eller bulken af ​​prøven ved molekylær længde skalaer. De plantearter, de undersøgte, omfattede de krystallinske strukturer i cellevæggene i løg, thalekarse og mos.

Denne opdagelse kan føre til åbningen af ​​nye veje til celluloseforskning, især inden for bioenergi og biokemikalier, ifølge forskerne.

"At tillade studiet af denne nye type organisation vil føre til nye grundlæggende undersøgelser af, hvordan de bemærkelsesværdige egenskaber ved cellevægge opstår, " sagde Enrique Gomez.